朱航 李宏澤 黃鈺 于海濤 董云哲 李君興

摘? ?要：植保無人機的高質量作業(yè)是農業(yè)航空實現(xiàn)精準作業(yè)的前提，因此對噴霧系統(tǒng)作業(yè)特性進行研究顯得尤為重要。為了探究影響植保無人機噴霧質量的因素，本研究應用噴霧性能綜合試驗臺（吉林省農業(yè)機械研究院研制）對無人機在不同旋翼轉速、噴霧高度、離心噴頭轉速情況下的霧滴沉積分布、霧滴粒徑進行了試驗測試并對12組試驗的沉積特性和粒徑數(shù)據(jù)進行了回歸分析。結果表明，同組參數(shù)的3次重復試驗一致性較好，霧滴發(fā)生明顯飄移且最大有效沉積率為46.31%，最小為31.74%，由此霧滴有效沉積率均低于50%;對比霧滴粒徑DV10、DV50和DV90的回歸分析結果，噴霧高度P值大于0.5，噴頭轉速和旋翼轉速P值小于0.5，由此可知，噴霧高度對沉積量影響極顯著，但對霧滴粒徑的影響不顯著;噴頭轉速和旋翼轉速對霧滴粒徑影響極顯著，而對沉積量影響不顯著。本研究試驗結果可為提高無人機作業(yè)質量和噴灑效率提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：植保無人機;噴霧特性;噴霧測試試驗臺;離心噴頭;激光粒度儀

中圖分類號：S252? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：201906-SA001

朱 航， 李宏澤， 黃 鈺， 于海濤， 董云哲， 李君興. 施藥技術參數(shù)對旋翼植保無人機噴霧特性的影響[J]. 智慧農業(yè)， 2019， 1（3）： 113-122.

Zhu H， Li H， Huang Y， Yu H， Dong Y， Li J. Effects of technical operation parameters on spray characteristics of rotor plant protection UAV[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（3）： 113-122. （in Chinese with English abstract）

1? 引言

使用農藥是防治農業(yè)有害生物不可缺少的重要措施，化學農藥減少了多達45%糧食總產量的損失[1]。中國是農藥生產和消耗大國，產量與銷量全球排名第一，但農藥霧滴飄移損失率為50%～70%[2-5]，因此霧滴飄移行為在植保作業(yè)中備受關注。前人研究表明，影響霧滴飄移的因素有內部條件和外部條件兩種，內部條件主要為霧滴粒徑、噴霧裝置和噴霧技術[6，7]，外部條件主要為氣象條件[8，9]。目前，研究農藥飄移的方法主要有田間試驗、試驗臺試驗和仿真模擬等。由于田間試驗環(huán)境變量較多，而仿真模擬很難完全描述出空氣流動對于噴施的影響，因此試驗臺試驗以數(shù)據(jù)可靠性高、可重復性強等優(yōu)點廣泛被應用于農藥霧滴飄移研究。

近年來，航空噴霧過程中的霧滴飄移受到了廣泛的研究和關注，許多學者對影響飄移的因素進行了大量的試驗研究。張慧春等[10]利用開路式風洞系統(tǒng)和激光粒度儀對扇形霧噴頭在不同壓力、風速、噴霧高度的霧滴粒徑、數(shù)量和范圍進行了試驗，結果表明，壓力、風速、噴頭與激光粒度儀之間的距離的增大都導致扇形霧噴頭的霧滴體積中徑變小。Thistle等[11，12]采用有人駕駛固定翼飛機研究了尾流、翼尖渦流、旋翼下旋氣流等因素對霧滴沉積的影響。Thomson等[13]通過試驗研究了Air-Tractor402B型有人駕駛飛機推進器不同轉動方向產生的尾流風場對霧滴沉積分布的影響。沈奧等[14]通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics， CFD）仿真軟件對多旋翼無人機流場進行模擬仿真，得到了不同速度下多旋翼無人機流場特點。Nuyttens等[15]建立了CFD三維噴霧飄失模型，考慮了霧滴特性、氣象條件、藥液特性、冠層結構和作物特點等因素，并通過田間試驗進行驗證，證明CFD模型是輔助減少田間噴霧飄失的有效途徑。呂曉蘭等[16]設置了四種噴霧壓力、風機出口風速和行駛速度，三種采樣高度進行噴霧試驗和回歸分析，結果表明，各噴霧技術參數(shù)均對冠層內的霧滴沉積覆蓋率有顯著性影響，其影響程度由強到弱依次為采樣高度、行駛速度、風機出口風速、噴霧壓力。茹煜等[17]利用噴頭霧化性能測試系統(tǒng)對噴孔直徑、噴霧壓力、電機轉速對噴頭霧滴粒徑、沉積分布、噴幅和功率消耗的影響進行了試驗研究，結果顯示，噴頭旋轉電機電壓相比噴孔直徑、噴霧壓力參數(shù)對霧滴粒徑影響更顯著。由此可見，對噴頭本身性能的研究較多，但對噴霧飄移受無人機旋翼風場影響的研究較少。

本研究利用霧滴采集試驗臺對搭載離心噴頭的無人機在不同噴霧高度、噴頭轉速、旋翼轉速情況下的霧滴沉積量、霧滴粒徑進行試驗，分析施藥技術參數(shù)對離心式噴頭霧滴沉積分布的影響，以期為減少霧滴飄移的施藥技術研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2? 噴霧性能綜合試驗臺結構與工作

原理

本研究所采用的噴霧性能綜合試驗臺由吉林省農業(yè)機械研究院研制，其機械結構與工作原理具體如下。

2.1? 機械結構

如圖1所示，噴霧性能綜合試驗臺包括：試驗臺主機架、U型集霧槽、超聲波液位測試車、龍門車桁架、試管架和翻轉系統(tǒng)。試驗臺總長為5m，寬為2.4m，高為1.2m，U型集霧槽開口為50mm，100個均勻分布，龍門車桁架用來固定無人機，利用電機驅動鏈調節(jié)桁架的高度以控制無人機作業(yè)的飛行高度[18]。

由于U型集霧槽具有7°的傾角，每個槽中收集到的液體將流入前端試管中。噴霧結束后，采用超聲波液位測試車在獨立機架軌道的運動，配合光電定位耦合開關測得每個試管的液位高度。測定結束后，試管架翻轉系統(tǒng)將每個試管內的液體傾倒完成試驗測試。改變作業(yè)參數(shù)并進行下一組試驗。

2.2? 控制系統(tǒng)

通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實現(xiàn)對超聲波液位測試車、試管架翻轉機構、風機啟停的控制，其工作原理如圖2所示。PLC通過RS232串口與計算機之間實現(xiàn)通訊，上位機采用LabVIEW 2013（NI，德克薩斯州，美國，253000）編程，其程序前面板如圖3所示。超聲波液位測試車、無人機固定升降結構、試管架翻轉機構均可通過PLC控制器進行控制。

3? 噴施裝置與試驗設計

3.1? 噴施裝置

如圖4所示，本次試驗噴施裝置由旋翼植保無人機（NJY-1206）搭載藥箱、泵和離心式噴頭組成。無人機對角旋翼距離為1.2m，驅動方式為電動24V，藥箱容量為10L，泵的壓力為0.2MPa。旋翼植保無人機可調節(jié)旋翼轉速以改變周圍風場強度，可用來模擬無人機實際飛行過程中的風場，可測得無人機在定點處流量沉積分布特性。噴灑采用離心式噴頭PGP-ADG2（吉林省農業(yè)機械研究院研制），將兩噴頭分別固定于旋翼正下方，其間距為120cm。

3.2? 試驗設計

試驗在室內進行，測試過程中室溫恒定，溫度為13～21℃，濕度為18.2%～26.5%，風速為0，試驗介質為清水，每組試驗均重復3次。通過表1中三個變量組合來進行一系列試驗。

（1）噴霧高度

通過調節(jié)已固定無人機與U型集霧槽之間的相對距離來模擬實際噴霧高度，在噴霧高度為1m和2m的情況下進行試驗，分析噴霧高度對霧滴沉積特性的影響。

（2）噴頭轉速

在實際噴施過程中，霧滴粒徑大，則動能較大，不易發(fā)生飄移和蒸發(fā)散失，但覆蓋密度低、附著性和噴施均勻性較差，容易造成藥液流失和水土污染;霧滴粒徑小，則覆蓋密度高，附著性與均勻性較好，穿透性強，不易發(fā)生藥液流失，但容易受到氣流與溫度影響，造成農藥飄移，可能對鄰近作物造成藥害[19]。因此，農藥霧滴粒徑過大或過小均不能獲得良好的施用效果。已有研究表明，離心噴頭轉速是直接影響霧滴粒徑的因素，且離心噴頭轉盤在9000～12000r/min時霧滴體積中徑處于100～150μm之間，達到最佳施用效果[20]。本次試驗通過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號控制器來控制離心噴頭轉速，在噴頭轉速為9150r/min、11100r/min和12000r/min的情況下進行試驗，分析噴頭轉速對霧滴沉積特性的影響。

（3）旋翼轉速

旋翼無人機的漿距是固定的，它是通過改變旋翼轉速平衡重力以達到懸停狀態(tài)。本次試驗選用的旋翼無人機滿載時起飛重量為20kg，對應的旋翼轉速為5050r/min，空載時起飛重量為10kg，對應的旋翼轉速為3850r/min。為模擬無人機兩種懸停狀態(tài)，本次試驗在旋翼轉速為3850r/min和5050r/min的情況下進行試驗，分析旋翼轉速對霧滴沉積特性的影響。

在以上三個因素的影響下，具體的試驗測試參數(shù)確定如表2所示。

3.2.1? ?霧滴沉積量分布測定

打開噴霧性能綜合試驗臺，調整噴施裝置到最佳位置即采集試驗臺正上方，開始進行5min模擬噴施，待噴施結束后通過超聲波液位測試車測定試管沉積量，重復上述步驟直至測得全部12組試驗的實際沉積量，每組試驗重復3次。由于采用雙噴頭進行噴灑，理論沉積量的計算公式為

D = 2q·t （2）

其中，D為理論沉積量，L;q為噴頭流量，0.31L/min;t為時間，5min。經(jīng)計算理論沉積量為3.1L。藥液有效沉積率的計算公式為：

E = De / D × 100% （3）

其中，E為有效沉積率，%;De為有效沉積量，L;D為理論沉積量，L。變異系數(shù)CV是衡量霧滴分布均勻性的重要指標，其計算公式為：

CV = SD / X × 100% （4）

其中，SD為標準差，ml;X為平均值，ml。

3.2.2? 霧滴粒徑測定

隨著電子和光學技術的發(fā)展，激光粒度儀可直接測量霧滴粒徑，還可借助計算機圖像分析系統(tǒng)對霧滴直徑、噴霧量分布均勻性等指標進行測定與分析。激光粒度儀在植保噴霧試驗中已有大量應用[21，22]，試驗結果均表明，激光粒度儀在植保噴霧試驗的應用中具有顯著的優(yōu)點和良好的效果。本次試驗采用DP-02激光粒度分析儀測量并分析噴霧高度、電機轉速、旋翼轉速三個噴霧參數(shù)對霧滴粒徑的影響。將激光粒度分析儀安裝于噴頭正下方，光學部件正確對焦，以測量無顆粒的分散介質為背景測量樣品。確保有足夠的測量時間采集到足夠的信號，得到的測量結果在統(tǒng)計學上要具有代表性[23]。霧滴粒徑大小是指霧滴占據(jù)的空間尺寸，通常分析評價霧滴粒徑參數(shù)為：霧滴累計分布為10%的霧滴直徑DV10，即小于此霧滴直徑的霧滴粒徑體積占全部霧滴粒徑體積的10%;霧滴累計分布為50%的霧滴直徑DV50，即小于此霧滴直徑的霧滴粒徑體積占全部霧滴粒徑體積的50%，也稱為體積中徑（Volume Median Diameter，VMD）;霧滴累計分布為90%的霧滴直徑DV90，即小于此霧滴直徑的霧滴粒徑體積占全部霧滴粒徑體積的90%[24，25];霧滴譜寬度R.S.是衡量霧滴大小均勻度的指標，可以直觀反映出霧滴直徑大小的分布狀況，其計算公式為：

R.S. = （DV90-DV10）/DV50 （5）

其中，R.S.為霧滴譜寬度， μm;DV90為90%體積中徑，μm;DV10為10%體積中徑，μm;DV50為50%體積中徑，μm。

4? 結果與分析

4.1? 不同噴霧參數(shù)對霧滴沉積的影響

不同組別的理論沉積量、有效沉積量和有效利用率如表3所示，理論沉積量均為3100ml，有效沉積量為三次重復試驗的平均值，在983.8～

1435.5ml之間，有效沉積率在31.7%～46.3%之間，由此可見噴霧整體有效沉積率低于50%。

4.1.1? 旋翼轉速

將噴頭轉速（12000r/min）和噴霧高度（2m）設置為常數(shù)，探究旋翼轉速分別為3850r/min和5050r/min時的沉積特性。在旋翼轉速影響下的2組B13和B23（每組3次重復試驗）霧滴沉積情況如圖5所示。

隨著旋翼轉速的提升，霧滴覆蓋均勻性有所改善，但霧滴沉積率更低。霧滴沉積量在0～75ml之間，沉積量折線大致呈現(xiàn)二次拋物線形狀[26-28]，兩個波峰分別為兩噴頭正下方，波谷即為兩噴頭中點正下方。由上表3可知，A13的有效沉積率為36.0%，A23的有效沉積率為39.9%，1m高度下轉速提升時沉積率升高，B13的有效沉積率為41.0%，B23的有效沉積率為38.8%，2m高度下轉速提升時沉積率下降，可見旋翼轉速與有效沉積率不顯現(xiàn)相關。

4.1.2? 噴頭轉速

將旋翼轉速（5050r/min）和噴霧高度（2m）設置為常數(shù)，探究噴頭轉速分別為9150r/min， 11100r/min和12000r/min時的沉積特性。在旋翼轉速影響下的3組B11，B12和B13（每組3次重復試驗）霧滴沉積情況如圖6所示。

隨著噴頭轉速的提升，霧滴均勻性有所改善，但飄移現(xiàn)象更加明顯。霧滴沉積量在0～80ml之間，沉積量折線大致呈現(xiàn)二次拋物線形狀，兩個波峰分別為兩噴頭正下方，波谷即為兩噴頭中點正下方。由上表3可知，B11的有效沉積率為40.4%，B12的有效沉積率為33.7%，B13的有效沉積率為41.0%，可見噴頭轉速與有效沉積率不顯現(xiàn)相關。

4.1.3? 噴霧高度

將旋翼轉速（12000r/min）和噴頭轉速（11100r/min）設置為常數(shù)，探究噴霧高度分別為1m和2m時的沉積特性。在旋翼轉速影響下的3組A23和B23（每組3次重復試驗）霧滴沉積情況如圖7所示。

隨著噴霧高度的提升，霧滴均勻性有所改善，但飄移現(xiàn)象更加明顯。霧滴沉積量在0～85ml之間，沉積量折線大致呈現(xiàn)二次拋物線形狀，兩個波峰分別為兩噴頭正下方，波谷即為兩噴頭中點正下方。由上表3可知，A23的有效沉積率為39.9%，B23的有效沉積率為38.8%，噴霧的提高導致有效沉積率下降，二者呈負相關。

4.2 不同噴霧參數(shù)對霧滴粒徑的影響

各組別霧滴粒徑如表4所示，霧滴的體積中徑范圍在125.18～155.55μm，霧滴譜寬度范圍在0.64～0.91μm。

4.2.1? 旋翼轉速

將噴頭轉速（12000r/min）和噴霧高度（2m）設置為常數(shù)，探究旋翼轉速分別為3580r/min和5050r/min時的粒徑大小。如表4所示，B13組DV10為76.15μm，DV50為131.96μm，DV90為187.54μm，B23組DV10為72.82μm，DV50為126.23μm，DV90為180.78μm。比較兩組粒徑大小可知，B23組相較于B13組粒徑明顯減小，即隨著旋翼轉速的增加，霧滴粒徑減小，二者呈負相關。

4.2.2? 噴頭轉速

將旋翼轉速（5050r/min）和噴霧高度（2m）設置為常數(shù)，探究噴頭轉速分別為9150r/min， 11100r/min和12000r/min時的粒徑大小。B11組DV10為81.34μm，DV50為135.49μm，DV90為191.91μm，B12組DV10為78.28μm，DV50為133.23μm，DV90為189.10μm，B13組DV10為76.15μm，DV50為131.96μm，DV90為187.54μm。比較三組粒徑大小可知，B11、B12、B13的粒徑逐步減小，即隨著噴頭轉速的增加，霧滴粒徑減小，二者呈負相關。

4.2.3? 噴霧高度

將旋翼轉速（12000r/min）和噴頭轉速（11100r/min）設置為常數(shù)，探究噴霧高度分別為1m和2m時的粒徑大小。A23組DV10為74.34μm，DV50為125.55μm，DV90為183.59μm，B23組DV10為72.82μm，DV50為126.23μm，DV90為180.78μm。比較兩組粒徑大小可知，A23組相較于B23組粒徑無明顯變化，二者不顯現(xiàn)相關。

4.3? 總體回歸分析

為了得到三個變量對沉積量和霧滴粒徑的顯著性影響，采用了IBM SPSS Statistics 24（IBM，阿蒙克市，紐約州，美國）軟件進行回歸分析[29，30]，結果如表5和表6所示。

由表中回歸分析結果可知，噴霧高度、噴頭轉速和旋翼轉速三個變量與霧滴沉積的相關系數(shù)分別為0.455，0.114，0.131。三個因素中噴霧高度P值<0.05，對霧滴沉積影響顯著。霧滴噴施過程中，霧滴下落高度的增加給予霧滴更長的自由運動時間，這就給霧滴的飄移創(chuàng)造了機會，因此適當?shù)膰婌F高度極為重要。

由表中回歸分析結果可知，噴霧高度、噴頭轉速和旋翼轉速三個變量與霧滴粒徑的相關系數(shù)分別為0.001，0.391，0.106。噴霧高度P值>0.5，對霧滴粒徑的影響不顯著，而噴頭轉速和旋翼轉速P值<0.5，對霧滴粒徑和霧滴譜寬度的影響顯著。霧滴形成后粒徑大小已經(jīng)固定，不會受到噴霧高度的影響，而隨著噴頭轉速的增加，切向力使得霧滴進一步破碎，霧滴粒徑變小。此外，隨著旋翼轉速的增加，霧滴運動區(qū)域風場強度增加，受風力的作用會進一步破碎，也使得霧滴粒徑變小。

5? ?結論

（1）利用噴霧性能綜合試驗臺和激光粒度儀對在不同噴霧高度、噴頭轉速、旋翼轉速情況下的霧滴沉積量、霧滴粒徑進行了試驗測試。結果表明，噴霧高度對沉積量影響極顯著，但對霧滴粒徑的影響可以忽略不計，噴頭轉速和旋翼轉速對霧滴粒徑影響極顯著，而對沉積量影響不顯著。

（2）試驗表明，同組參數(shù)的三次重復試驗一致性較好，霧滴飄移現(xiàn)象發(fā)生明顯且有效沉積率低于50%。

（3）植保無人機實際噴霧效果還受到自然風速、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，下一步研究將建造搭載無人機飛行試驗臺并加入環(huán)境因素進行相關試驗。

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Effects of technical operation parameters on spray characteristics of rotor plant protection UAV

Hang Zhu1， Hongze Li1， Yu Huang1， Haitao Yu2， Yunzhe Dong2， Junxing Li2*

（1. School of Mechanical and Aerospace Engineering， Jilin University， Changchun 130022， China;

2. Jilin Academy of Agricultural Machinery， Changchun 130062， China）

Abstract： High-quality operation of plant protection UAV is the premise of precision operation in agricultural aviation， so it is particularly important to study the characteristics of spray system. In order to explore the factors that affect the spray quality， the comprehensive experimental platform of spray performance （developed by Jilin Agricultural Machinery Research Institute） was used to test the droplet deposition distribution and droplet diameter under different UAV rotor speed， spray height and centrifugal nozzle speed in this research， and regression analysis on the deposition characteristics and particle diameter data of 12 groups of tests was conducted. The results showed that the three repeated tests of the same set of parameters had good consistency. Droplets had obvious drift and the maximum effective deposition rate was 46.31% and minimum 31.74%， which shows that the effective deposition rate of droplets was lower than 50%. Compared with the regression analysis results of droplet diameters DV10， DV50 and DV90， the spray height P value is greater than 0.5， and the nozzle speed and rotor speed P value are less than 0.5. So it can be inferred that spray height had a very significant effect on deposition， no significant effect on droplet size. The nozzle speed and rotor speed had very significant effect on droplet size，? no significant effect on deposition. The test results of this research can provide theoretical basis and data support for improving the operation quality and spraying efficiency of UAVs.

Key words： plant protection UAV; spray quality; experimental platform of droplet collection; laser particle size analyzer; centrifugal nozzle